TWI410102B

TWI410102B - Global Positioning System (GPS) for accurate intermediate frequency acquisition method

Info

Publication number: TWI410102B
Application number: TW097150973A
Authority: TW
Inventors: Hung Sheng Chen
Original assignee: Altek Corp
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2013-09-21
Also published as: US20100164794A1; TW201025979A; US7924222B2

Description

全球定位系統(GPS)的精準中間頻率的取得方法

本發明係關於一種全球定位系統(Global Positioning System；GPS)，特別是一種全球定位系統的精準中間頻率的取得方法。

全球衛星導航系統也稱為全球定位系統(Global Positioning System；GPS)。全球定位系統已從以前僅限於軍事用途與工業用途，隨著科技的不斷進步，開始開發其應用在各種民生用途上。一般來說，GPS的產品主要是指應用於各種用途的GPS接收器，例如：航空、航海用途的接收器、汽車導航設備、用於登山、休閒的手持式接收器等類型的通訊產品。而一般GPS產品的組成部分主要包括了內部的天線、晶片組，以及外部的按鍵、顯示面板等相關零組件。

GPS接收器是利用環繞在地球周圍的衛星進行位置確定。一般，GPS接收器需要取得至少三顆衛星的訊號，才能計算出當前位置的經緯坐標。當GPS接收器要取得目前的位置時，GPS接收器會比較從每顆衛星所傳送來的時間。而這些時間的差距可告訴GPS接收器，其與每顆衛星距離多遠，即可以求得當前位置。

在GPS接收器接收到的衛星訊號中，包含有假亂數碼及星曆資料。假亂數碼用來識別那顆衛星正傳送的資料。而星曆資料則告訴GPS接收器每顆衛星在一整天中應有的位置，因此每顆衛星所傳送的星曆資料呈現了衛星的軌道資料。在星曆資料中包含有星曆表用以紀錄每顆衛星持續傳送下來的資訊，例如：衛星的狀態、目前的資料及時間等。

GPS接收器進行衛星搜尋，以達到定位的過程可分為冷開機(cold start)、暖開機(warm start)、熱開機(warm start)三種方式。

所謂冷開機，亦即是開機後GPS接收器第一次執行定位程序。也就是說，GPS接收器中完全沒有星曆資料。此時，GPS接收器會一一搜尋每顆衛星，並且下載一連串的星曆資料，直到取得全部的星曆資料，並完成定位。一般來說，完整的取得星曆資料到定位完成至少需要12分鐘。

所謂暖開機，亦即是一般開機程序，包括有GPS接收器自我測試、取得精確星曆資料至定位完成。於此，GPS接收器會儲存最後關機時所在地點的衛星分佈圖(即星曆資料)，以便用以下次暖開機時預測星曆資料，也就是預測衛星在軌道上的位置。因此，下一次開機時，就不需一一搜尋衛星位置，可根據上一次關機時紀錄的星曆資料來預測線在衛星在軌道上的位置，但是預測的星曆資料並不精確也不能定位。一般來說，暖開機到完成重新定位的時間為40秒。

所謂熱開機，亦即是GPS關閉不久後開啟的程序或是接收衛星訊號不佳，GPS接收器需重新取部份的星曆資料來達到定位功能。一般來說，熱開機後到完成重新定位的時間係為10秒至20秒。

所以不管是什麼開機的情況，GPS接收器會發生的情況有完全沒有星曆資料、有星曆資料但沒正確時間或所在位置而導致星曆資料不正確必須重新取得星曆資料而重新定位。

另外，還有一種情況的發生需重新取得定位資料，即進入睡眠狀態下的GPS接收器。當使用者在一段時間內沒有給GPS接收器任一指令時，GPS接收器會自動進入睡眠狀態，當使用者需要再次執行導航功能時，會因為離上次執行GPS接收器之時間過長，或是距離上次導航的地點過遠，而導致星曆資料不正確必須重新取得星曆資料而重新定位。

GPS接收器係利用振盪器來作為運作時所需的參考頻率源。在習知技術中，GPS接收器所使用的振盪器，通常是調校至某一特定頻率的高精度振盪器，例如：溫度補償石英振盪器(temperature compensated crystal oscillator，TCXO)等。

然而，由於振盪器的製造品質不一致，常會導致實際產生的中間頻率與振盪器的規格所給定的中間頻率不一致。因此，在進行衛星搜尋時，雖然可依照振盪器的規格所給定的中間頻率，在其附近頻率範圍進行衛星搜尋。但因為振盪器實際產生的中間頻率與規格所給定的中間頻率之間的誤差，常常需要以大範圍的頻率範圍進行衛星搜尋，才得以搜尋到衛星。如此一來，GPS接收器即必須耗費相當多的時間於初步的衛星搜尋上。

鑒於以上的問題，本發明提供一種全球定位系統的精準中間頻率的取得方法，藉以解決先前技術之依照規格所給定的中間頻率進行衛星搜尋所產生的一個或多個問題。

本發明所揭露的全球定位系統的精準中間頻率的取得方法，應用於一全球定位系統(GPS)接收器。此GPS接收器具有一射頻模組。

於此，先利用射頻模組的規格頻率搜尋衛星，並且以一訊號頻率接收衛星的衛星訊號。

利用接收到的衛星訊號取得衛星的星曆資料，並且計算GPS接收器的所在座標。其中，可利用衛星訊號的電碼延遲(code delay)來計算得GPS接收器的所在位置。

利用取得的星曆資料計算衛星在第一時間點時的第一座標和在第二時間點時的第二座標。

然後，利用第一時間點、第一座標、第二時間點和第二座標計算衛星的移動速度，並且計算移動速度於由第一座標到所在座標的位置向量上的投影量。

最後，將衛星的載波頻率乘上投影量與光速的比值來得到都普勒效應的影響值，並且將訊號頻率減掉都普勒效應的影響值來得到中間頻率。

其中，衛星的載波頻率可為1575.42。

於此，可利用下列公式計算移動速度於由第一座標到所在座標的位置向量上的投影量：，其中Vd係為投影量、Vs係為移動速度、A係為所在座標、S係為第一座標，且S’係為第二座標。

再者，可先計算第一座標與第二座標之間的直線距離和第一時間點與第二時間點之間的時間差。然後，再將計算得的直線距離除以時間差即可得到衛星的移動速度。

其中，本發明所揭露的全球定位系統的精準中間頻率的取得方法可更包括記錄計算得的中間頻率。

並且，當GPS接收器重新搜尋衛星時，GPS接收器即可依照記錄的中間頻率重新進行衛星的搜尋。

其中，GPS接收器可於暖開機、熱開機或由睡眠狀態被喚醒時重新進行衛星的搜尋，以取得正確的星曆資料並完成重新定位。

綜上所述，根據本發明之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法應用於GPS接收器時，可提供GPS接收器相對於規格所給定的中間頻率較為精準的中間頻率，以致於GPS接收器可在正確的搜尋頻率範圍內做有效的搜尋。換言之，相較於以規格所給定的中間頻率進行搜尋，應用本發明一實施例的GPS接收器可以較小的頻率範圍進行搜尋。如此一來，即可有效地縮短GPS接收器的衛星搜尋時間。並且，在GPS接收器的暖開機或熱開機時，能使GPS接收器精準的預估衛星的所在頻率。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

「第1圖」係顯示應用本發明一實施例之全球定位系統(Global Positioning System；GPS)接收器。

參照「第1圖」，GPS接收器100通常包括：天線110、射頻(radio frequency，RF)模組130、訊號處理器150及輸入/輸出 (input/output，I/O)模組170。

天線110與射頻模組130電性連接。射頻模組130具有振盪器。射頻模組130可利用振盪器提供一特定頻率，並利用此特定頻率經由天線110而無線連結軌道衛星群中的衛星212、214、216、218。並且，於射頻模組130與衛星212、214、216、218形成無線連結後，射頻模組130經由天線110無線接收來自衛星212、214、216、218的衛星訊號。

訊號處理器150電性連接射頻模組130。訊號處理器150具有偽隨機(pseudoeandom，PN)電碼相位和都普勒(doppler)搜尋空間架構。訊號處理器150可解析射頻模組130所接收到的衛星訊號，藉以從衛星訊號中得到各種定位資訊。其中，定位資訊包含有假亂數碼及星曆資料等資料。

輸入/輸出模組170電性連接訊號處理器150。輸入/輸出模組170可提供使用者介面和/或各種輸入和/或輸出連接埠。

在一實施例中，GPS接收器100可為一單機裝置，亦可與其他設備(例如：行動通訊設備、電腦等)整合。

「第2圖」係顯示根據本發明一實施例之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法。

參照「第2圖」，此全球定位系統的精準中間頻率的取得方法可應用於GPS接收器100。

GPS接收器100利用射頻模組130的規格頻率(即依照射頻模組130中振盪器的規格所給定的中間頻率)搜尋軌道衛星群中的衛星212、214、216、218(步驟310)。於此，GPS接收器100 係於包含規格頻率的一頻率範圍內進行衛星212、214、216、218的搜尋，以致於以在此頻率範圍內的一訊號頻率與衛星212形成無線連結。

於形成無線連結後，射頻模組130經由天線110以此訊號頻率無線接收來自的衛星212的至少一衛星訊號(步驟320)。

請一併參照「第3圖」，訊號處理器150解析接收到的衛星訊號，以利用接收到的衛星訊號取得衛星212完整的星曆資料，並利用衛星訊號的電碼延遲(code delay)計算在第一時間點t1時GPS接收器100的所在位置(即，所在座標A)(步驟330)。

並且，利用取得的星曆資料計算在第一時間點t1時衛星212的第一座標S及在第二時間點t2時衛星212的第二座標S，(步驟340)。

再利用第一時間點t1、第一座標S、第二時間點t2和第二座標S’計算衛星212的移動速度Vs，如公式一(步驟350)。

其中，衛星212於第一時間點t1時的第一座標S係為(X1,Y1,Z1)，且於第二時間點t2時的第二座標S’係為(X2,Y2,Z2)。

換言之，於此可先計算第一座標S與第二座標S’之間的直線距離，以及計算第一時間點t1與第二時間點t2之間的時間差。然後，再將計算得的直線距離除以時間差即可得到移動速度Vs。

並且，計算由第一座標S到所在座標A的第一位置向量(如公式二)，以及計算由第一座標S到第二座標S’的第二位置向量(如公式三)，藉以計算出移動速度Vs於由第一座標S到所在座標A的位置向量上的投影量Vd(如公式四)(步驟360)。

其中，θ係為位置向量與位置向量的夾角。

將衛星的載波頻率乘上投影量Vd與光速的比值以得到都普勒效應的影響值，並將訊號頻率CF減掉都普勒效應的影響值以得到中間頻率IF，如公式五(步驟370)。

IF＝CF－1575.42×Vd/C 公式五

其中，1575.42係為衛星的載波頻率，且C係為光速(即，299792458 m/s(每秒公尺))。於此，都普勒效應的影響值即為1575.42×Vd/C。

於此，GPS接收器100可更具有一儲存單元190，用以記錄計算得的中間頻率(步驟380)，如「第1及4圖」所示。

並且，當GPS接收器100重新搜尋衛星時，GPS接收器100即可依照儲存單元190中記錄的中間頻率重新進行衛星的搜尋。參照「第1及4圖」，如步驟390，判斷GPS接收器100是否重新搜尋衛星。若GPS接收器100重新搜尋衛星(即，圖示中的「是」)，GPS接收器100可依照記錄的中間頻率重新進行衛星的搜尋(步驟400)。

其中，GPS接收器100可於暖開機、熱開機或由睡眠狀態被喚醒時重新進行衛星的搜尋，以取得正確的星曆資料並完成重新定位。

於此，可透過軟體或韌體程式內建於GPS接收器100的儲存單元190中，再由GPS接收器100的處理器執行內建的軟體或韌體程式來實現根據本發明的全球定位系統的精準中間頻率的取得方法。其中，儲存單元190可由一個或數個記憶體而實現。此處理器可為前述的訊號處理器150，亦可為另外設置的一控制器。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

100‧‧‧全球定位系統接收器

110‧‧‧天線

130‧‧‧射頻模組

150‧‧‧訊號處理器

170‧‧‧輸入/輸出模組

190‧‧‧儲存單元

212‧‧‧衛星

214‧‧‧衛星

216‧‧‧衛星

218‧‧‧衛星

A‧‧‧所在座標

S‧‧‧第一座標

S’‧‧‧第二座標

t1‧‧‧第一時間點

t2‧‧‧第二時間點

θ‧‧‧夾角

Vd‧‧‧投影量

第1圖係顯示應用本發明一實施例之全球定位系統(Global Positioning System；GPS)接收器；第2圖係為根據本發明一實施例之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法的流程圖；第3圖係顯示於根據本發明一實施例之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法中，各個座標之間的關係示意圖；以及第4圖係為根據本發明另一實施例之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法的流程圖。

Claims

一種全球定位系統(GPS)的精準中間頻率的取得方法，應用於一全球定位系統接收器，該全球定位系統接收器具有一射頻模組，該取得方法之步驟包括：利用該射頻模組的一規格頻率搜尋一衛星；以一訊號頻率接收該衛星的至少一衛星訊號；利用接收到的該衛星訊號取得該衛星的一星曆資料；利用接收到的該衛星訊號計算該全球定位系統接收器的一所在座標；利用該星曆資料計算在一第一時間點時該衛星的一第一座標；利用該星曆資料取得在一第二時間點時該衛星的一第二座標；利用該第一時間點、該第一座標、該第二時間點和該第二座標計算該衛星的一移動速度；計算該移動速度於由該第一座標到該所在座標的位置向量上的一投影量；將該衛星的一載波頻率乘上該投影量與一光速的比值以得到都普勒效應的影響值；以及將該訊號頻率減掉該都普勒效應的影響值以得到一中間頻率。
如請求項1所述之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法，其中該載波頻率係為1575.42。
如請求項1所述之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法，其中該計算該移動速度於由該第一座標到該所在座標的位置向量上的一投影量的步驟，包括：利用下列公式計算該投影量：；其中，Vd係為該投影量、Vs係為該移動速度、A係為該所在座標、S係為該第一座標，且S’係為該第二座標。
如請求項1所述之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法，其中該利用該第一時間點、該第一座標、該第二時間點和該第二座標計算該衛星的一移動速度的步驟，包括：計算該第一座標與該第二座標之間的一直線距離；計算該第一時間點與該第二時間點之間的一時間差；以及將該直線距離除以該時間差以得到該移動速度。
如請求項1所述之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法，更包括：記錄該中間頻率。
如請求項5所述之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法，更包括：判斷該全球定位系統接收器是否重新搜尋該衛星；以及當該全球定位系統接收器重新搜尋該衛星時，依照記錄的該中間頻率重新進行該衛星的搜尋。
如請求項6所述之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法，更包括：於該全球定位系統接收器暖開機時，依照記錄的該中間頻率重新進行該衛星的搜尋。
如請求項6所述之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法，更包括：於該全球定位系統接收器熱開機時，依照記錄的該中間頻率重新進行該衛星的搜尋。
如請求項6所述之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法，更包括：於該全球定位系統接收器於睡眠狀態被喚醒時，依照記錄的該中間頻率重新進行該衛星的搜尋。
如請求項1所述之全球定位系統的精準中間頻率的取得方法，其中該利用接收到的該衛星訊號計算該全球定位系統接收器的一所在位置的步驟，包括：利用該衛星訊號的電碼延遲計算該全球定位系統接收器的該所在位置。